Auswirkungen der Umwelt auf den Ciliaten Mutualismus

Mutualismus zwischen mikrobiellen Symbionten und Wirtstieren ist allgegenwärtig. Eine der spektakulären Assoziationen ist der Mutualismus zwischen dem Schwefelbakterium, genannt Candidatus Thiobios zoothamnicoli, und dem Riesenziliaten Zoothamnium niveum. Diese kolonialen Ziliaten leben im marinen seichten Gewässern von den Tropen bis zu gemäßigten Zonen auf Holz. Derzeit ist diese Assoziation die einzige und vielen solchen marine Symbiosen mit Schwefelbakterien die von uns gezüchtet werden kann. Wir konnten zeigen, dass Fitness beider Partner gekoppelt ist und von der Konzentration von Schwefelwasserstoff abhängig ist. Diese Chemikalie entweicht dem Holz und wird zusammen mit Sauerstoff und Kohlendioxid vom Symbionten verwendet um organische Material zu produzieren. Dieses Futter teilt der Symbiont mit dem Wirt. Die Produktion von Schwefelwasserstoff im Holz in jedoch extrem instabil und gefährdet die Ernährung und das Überleben der Symbiose. Wenn Schwefelwasserstoff über kurze Zeiträume fehlt konnten wir zeigen, dass der gestresste Wirt seine Nachkommen, die Schwärmer losschickt um einen neuen Lebensraum zu finden. Innerhalb von zwei Tagen verlassen die Symbionten aber den absterbenden Wirt. Im Winter wird in gemäßigten Meeren wie der Adria kein Schwefelwasserstoff produziert. Die Symbiose ist dann auch nicht auf Holz zu finden. Deshalb vermuten wir, dass der Wirt und der Symbiont getrennt voneinander überleben oder der Wirt Dauerstadien bildet und beide Partner sich dann erst wieder im Frühjahr vereinen. Auch ist nicht genau bekannt, wie schnell der Holzabbau im Meer vonstatten geht. Im Meer wird Holz als Baumaterial für Stege und Konstruktionen in Häfen verwendet und viele Boote werden nach wie vor aus Holz gebaut. Es ist daher auch nicht bekannt, wann die Symbiose Holz besiedelt und wie lange sie dort lebt. In diesem Projekt sollen die Mechanismen untersucht werden, die entstanden sind um mit dem notwendigen, aber in der Natur unzuverlässig vorkommenden Schwefelwasserstoff über kurze, jährliche und längerfristige Zeiträume umzugehen. 1) Daher planen wir die Genexpressionsmuster beider Partner unter verschiedenen Bedingungen in speziell von uns entwickelten Minihochdruckaquarien im Labor zu untersuchen um zu verstehen wie beide Partner auf molekularer Ebene funktionieren und wie sie miteinander interagieren. 2) Weiters planen wir in der Umwelt die Dauerstadien, den Wirt ohne seinen Symbionten und den freilebenden Symbionten zu suchen um die Überlebensstrategie im Winter zu entschlüsseln. 3) Ein Langzeit Experiment soll dazu dienen um den Zeitrahmen von Holzabbau und das Kolonisationsmuster der Symbiose und verwandter Zoothamnium Arten zu verstehen. Dazu wird frisches Holz in verschiedenen Bereichen in der Nordadria ausgebracht und über die gesamte Dauer des Projekts jeden Sommer und Winter besammelt. Diese Experimente dienen zur Entschlüsselung der Mechanismen die in beiden Partnern entstanden um in Kooperation miteinander zu leben.

Das meiste Holz, das im Meer landet, stammt vom Land, entweder auf natürliche Weise durch Transport über Flüsse oder durch menschliche Aktivitäten beim Bau von Holzbooten und Hafenanlagen. Einmal im Meer, dauert es normalerweise nicht allzu lange, bis es zersetzt ist. In diesem Projekt haben wir über einen Zeitraum von drei Jahren die Tiere und Mikroben in der nördlichen Adria untersucht, die künstlich ausgebrachte Holz zersetzen, sowie dieses Holz besiedeln. Nach der Besiedlung des Holzes und der Sukzession tierischer und mikrobieller Gemeinschaften fanden wir für einen kurzen Zeitraum während der Holzzersetzung eine hohe Vielfalt an Leben. Neben mehr als 200 Taxa von Tieren und zahlreichen Mikroben, die auf und in Holz leben wurden identifiziert. Darunter fanden wir nur drei Arten von Schiffsbohrwürmern, zwei Arten von Asseln und eine Flohkrebsart, die sich direkt von Holz ernähren und daher zusammen mit Bakterien und Pilzen die wichtigsten Holzzersetzer in der nördlichen Adria sind. Die Schiffsbohrwürmer tun dies mit Hilfe von symbiotischen Bakterien in ihren Kiemen. Zusätzlich zu dieser Art von Symbiosen haben wir eine andere Art von Symbiose im Detail untersucht, nämlich die schwefeloxidierende chemoautotrophe Symbiose zwischen einem kolonialen Ciliaten, Zoothamnium niveum, und seinem Symbiont Candidatus Thiobius zoothamnicola, der den giftigen chemischen Stoff Schwefelwasserstoff benötigt, um organischen Kohlenstoff zu produzieren, und seine Nahrung mit dem Wirt teilt. Das Genom des Symbionten wurde im Rahmen dieses Projekts charakterisiert und enthüllte viele Möglichkeiten, reduzierte Schwefelverbindungen zu nutzen und Schwefel für die Zeit zu speichern, in der kein Sulfid vorhanden ist. Daher untersuchten wir, wie diese Symbiose reagiert, wenn die Sulfidemission über kurze und lange Zeiträume instabil ist. Wir charakterisierten die chemischen Bedingungen mithilfe der Mikrosensortechnologie. Wir entdeckten, dass die Symbiose bei Sulfidmangel aufgrund des Todes des Wirts und des Verlusts des Symbionten zusammenbricht. Die Nachkommen der Ciliaten, die Schwärmer, können jedoch ihre Symbionten verlieren, sterben aber nicht. Stattdessen können sie neue Kolonien ohne ihren Symbionten bilden. Wenn sie das tun, sehen sie in ihrer Form ganz anders aus als die Kolonien, die mit ihren Symbionten leben. Dieses Phänomen, Polyphenismus genannt, ist aus parasitären oder Räuber-Beute-Beziehungen bekannt, war aber bisher für mutualistische Symbiosen unbekannt. Derzeit werden das Genom und die Genexpressionsmuster von Ciliaten mit und ohne Symbionten analysiert, um ihre Ökologie und Evolution besser zu verstehen.